Характеристика природных радионуклидов

(тритий, углерод, калий, радон, радий, уран)

С радиоэкологической точки зрения все радионуклиды целесообразно разделить на естественные, присутствие которых на Земле не связано с деятельностью человека, и искусственные, включая техногенные радионуклиды. Это деление несколько условно, так как образующиеся в естественных условиях легкие радионуклиды могут быть получены и искусственным путем. Например, тритий может образовываться как в естественной среде в результате ядерных реакций химических элементов с космическим излучением, так и в реакциях с искусственно вызванным делением или синтезом ядер. Или такой искусственный радионуклид как стронций-90, который может образовываться и в окружающей среде при спонтанном делении урана-238.

Все естественные радионуклиды целесообразно делить на две группы: легкие и тяжелые. К тяжелым радионуклидам относят нуклиды трех радиоактивных семейств. Все остальные относят к легким.

Тритий– радиоактивный изотоп водорода. Два других изотопа водорода (протий и дейтерий) являются стабильными. Водород (от греч. hydro genes – порождающий воду) как элемент известен с 1766 года. Это химический элемент VII группы периодической системы Д.И. Менделеева. Водород представляет собой бесцветный газ, без запаха, не растворяется в воде. На воздухе горит, образует с воздухом взрывоопасные смеси. В организме среднего человека (масса тела 70 кг) его содержится 7 кг.

Атомная масса трития 3,016. Он обладает малой степенью токсичности (группа Г). Период полураспада – 12,34 года. Распад трития сопровождается β-излучением с низкой энергией частиц – 0, 0186 МэВ. Бета-частицы имеют максимальный пробег в воздухе 6 мм, в биологических тканях – 6 мкм. При испускании тритием электрона появляется стабильный изотоп гелия (⁸He).

Природный тритий образуется в результате взаимодействия космических излучений с N, O и Ar в атмосфере. Глобальное содержание – 1,3·10¹⁸ Бк. В Мировом океане его находится 65% (800 г), в атмосфере около 8%, на земле в континентальных водах – 27%. Около 99% количества природного трития превращается в тритиевую воду (H³ HO).

Искусственный тритий образуется при работе реакторов, при переработке отработанного топлива и при испытаниях ядерного оружия. В промышленных условиях тритий получают в результате облучения нейтронами лития. Общее количество трития поступившего в стратосферу при термоядерных взрывах до 1979 года составило от 1,2·10²⁰ до 2,4·10²⁰ Бк, что значительно превысило содержание природного трития.

Тритий считается абсолютный органоген, без него невозможно физиологическое развитие живых организмов. Он включается практически во все реакции, присущие биогеохимическому циклу водорода. При поступлении в организм с пищей, воздухом или через кожу быстро всасывается в кровь и равномерно распределяется в водной среде организма. Из организма выводится с мочой и потом. Средний период полувыведения 10 суток. Около 1% устойчиво связывается с тканями. Токсичность соединений трития для разных видов животных неодинакова: собаки приблизительно в 7 раз, а кролики в 4 раза чувствительнее крыс.

В организме тритий вызывает острые и отдаленные эффекты: угнетение кроветворения, геморрагический синдром, поражение половых органов и генетического аппарата, злокачественные новообразования, в частности лейкемии.

Углерод(от лат. carbo – уголь)– химический элемент IV группы периодической системы Д.И. Менделеева. Известен с глубокой древности. Атомная масса 12,01. В природе встречается в свободном состоянии в виде графита и алмазов. Углерод – главнейший элемент живой природы, его соединения являются основой всех живых организмов («носитель жизни»). В организме среднего человека (масса тела 70 кг) содержится 16 кг.

В природной среде имеется два стабильных изотопа ¹²C (98,89%), ¹³C (1,11%). Известно 6 радиоизотопов. Они получены искусственным путем. Основной и наиболее значимый радиоактивный изотоп ¹⁴C. Он может быть естественного и искусственного происхождения. Естественный ¹⁴C постоянно образуется в атмосфере из азота под действием нейтронов космического излучения (нуклид с наведенной радиоактивностью). Искусственный ¹⁴C образуется в результате ядерных взрывов, при производстве ядерной энергии, сжигании угля, нефти, природного газа. Период полураспада ¹⁴C составляет 5730 лет, β-излучатель с энергией частиц 156 кэВ. Группа Г по токсичности.

Миграция ¹⁴C в биосфере подчиняется закономерностям углеродного геохимичекого цикла. Общеизвестен метод определения возраста почв и соответственно археологических находок (ископаемых) по его содержанию (в пределах максимум 10 периодов полураспада, то есть 55-56 тыс. лет).

Участвуя в общем круговороте (окисляясь кислородом или озоном, превращается в углекислоту), в процессе фотосинтеза усваивается растениями, а затем животными и человеком и является источником внутреннего облучения. ¹⁴C в организме включается в состав практически всех важнейших биомолекул и производит их повреждение. За счет внутреннего облучения углеродом ткани человека получают в год 0,5-2,2 мрад. Из организма выводится в основном через легкие.

Калий(лат. kalium)– химический элемент I группы периодической системы Д.И. Менделеева. Открыт элемент в 1807 году. Атомная масса 39,0983. Это мягкий, белый щелочной металл плотностью 0,68 г/см с температурой плавления 62,3^оС. В земной коре содержится 2,6% калия. В организме среднего человека (масса тела 70 кг) содержится 140 г.

Природный калий состоит из трех изотопов: двух стабильных ³⁹К (93,08%), ⁴¹К (6,9%) и одного радиоактивного ⁴⁰К (0,0119%). ⁴⁰К является β- и γ-излучателем, испуская бета-частицу превращается в стабильный изотоп ⁴⁰Ca. В 8 раз реже осуществляет К-захват электрона и превращается в стабильный изотоп ⁴⁰Ar. Период полураспада ⁴⁰К составляет 1,45·10⁹ лет. ⁴⁰К один из основных по активности естественных радионуклидов в почвах, растениях. Важен для всех живых существ. Было даже введено понятие «калийный фон». В организм попадает с пищей и водой, полностью всасывается из желудочно-кишечного тракта и равномерно распределяется. При внутреннем облучении поглощенная доза может составлять до 20 мрад/г. Выводится в основном с мочой. Период полувыведения составляет 54 суток.

Искусственным путем получены радиоактивные изотопы ⁴²К (Т_½ - 12,36 ч, β- и γ-излучатель, группа токсичности - В) и ⁴³К (Т_½ - 22,3 ч, β- и γ-излуча-тель). ⁴²К является экологически опасным и при поражении организма развивается лейкоцитопения, лимфоцитопения, нарушение пищеварения.

Радон(назван по аналогии с радием) – радиоактивный химический элемент YIII группы периодической системы Д.И. Менделеева. Открыт в 1900 году. Атомная масса 222. Это бесцветный газ, который не имеет цвета, запаха, вкуса, в 7,5 раз тяжелее воздуха. Присутствует повсеместно в кристаллических и осадочных горных породах, содержащих уран: в Бразилии, США. Индии, Скандинавии, Германии. И в Беларуси – местах геологических разломов: в Микашевичах, Шкловском районе, в Минске. Радон встречается во многих материалах, откуда он может поступать в воду и воздух. Содержание в человеческом организме нулевое.

Радон существует в виде трех радиоактивных изотопов: ²¹⁹Rn, ²²⁰Rn, ²²²Rn. ²²²Rn – естественный инертный радиоактивный газ, образующийся как продукт распада ²²⁶Ra. ²²²Rn имеет период полураспада 3,82 дня, α- и γ-излучатель. Энергия альфа-частиц 55 МэВ. Продукты распада радона полоний, бериллий, свинец.

Радон и продукты его распада поступают в организм человека главным образом ингаляционным путем, особенно при нахождении в закрытом, непроветренном помещении, где концентрация его в 8 раз больше, чем на улице. В газетах писали о нем: «Беспощадный убийца, незаметно проникающий в наши дома». На долю радона приходится 30-40% дозы облучения, получаемой населением от естественных источников. Для курильщиков радоновое облучение повышает риск заболевания раком легких в 10 раз.

Радон накапливается на первых этажах зданий, в подвалах, погребах, шахтах. Поэтому помещения следует проветривать. Радон может поступать в помещения не только из земли., но и вместе с природным газом, сжигаемом в кухонных плитах и с водой. Концентрация радона в ванных комнатах в 3 раза больше, чем на кухне и в 40 раз выше, чем в жилых комнатах.

Радий (от лат. radius – луч) – радиоактивный химический элемент II группы периодической системы Д.И. Менделеева. Открыт в 1898 году. Атомная масса 226,0254. Это серебристый, блестящий, мягкий металл, плотность около 6 г/см³, температура плавления 960^оС. Содержание радия в земной коре 10^-10 вес.%. Встречается в природе в урановых рудах. В организме среднего человека (масса тела 70 кг) содержится 31·10^-9 мг.

Радий имеет 4 радиоизотопа: ²²³Ra, ²²⁴Ra, ²²⁶Ra, ²²⁸Ra. Основной радио-активный изотоп ²²⁶Ra (семейство ²³⁸U) имеет период полураспада 1622 года. Группа А по токсичности. При его распаде происходит испускание α-частиц с энергией 4,777 МэВ и γ-квантов с энергией 0,188 МэВ и образуется радиоактивный изотоп инертного газа ²²²Rn. В течение суток 1 г радия выделяет 1 мм³ радона. Другие радиоактивные изотопы радия относятся к ториевому и актиниевому и семействам.

²²³Ra имеет Т_½ - 11,43 дня, , α- и γ-излучатель. ²²⁴Ra - Т_½ - 3,66 дня, α- и γ-излучатель. ²²⁸Ra - Т_½ - 5,75 лет, β- и γ-излучатель.

Радий в биосистемах подобен кальцию и стронцию. Из желудочно-кишечного тракта всасывается 20-70% радия. В организме распределяется в крови, мягких тканях, коже, из которых выводится довольно быстро, и преимущественно в костях (40%). Выводится из организма с калом (95%) и мочой (5%). Поражение организма характеризуется анемией, лейкоцитопенией, декальцификацией костной ткани, изменениями в легких и коже. В отдаленные сроки облучения наблюдаются остеосаркомы, пневмосклероз, рак легких и кожи, опухоли других органов и тканей.

Уран(назван в честь планеты уран) – радиоактивный химический элемент, относящийся к группе актиноиды периодической системы Д.И. Менделеева. Открыт в 1789 году, выделен в 1841 году. Атомная масса 238,0289. Это серебристый с голубоватым оттенком, ковкий, пластичный металл. На воздухе покрывается оксидной пленкой. Его плотность 19,05 г/см³. Содержание урана в земной коре 4·10^-4 вес.%, имеется в почве и воде. Встречается в природе в рудах: уранинит, кариотит. В организме среднего человека (масса тела 70 кг) содержится 0,09 мг.

Природный уран состоит из смеси трех радиоактивных изотопов: ²³⁴U (Т_½ - 2,33·10⁵ лет, α- и γ-излучатель, содержится в смеси радиоизотопов 0,006%), ²³⁵U (Т_½ - 7,1·10⁸ лет, α- и γ-излучатель, содержится – 0.71%), ²³⁸U (Т_½ - 4,5·10⁹ лет, α- и γ-излучатель, содержится – 99,28%). ²³⁵U и ²³⁸U являются родоначальниками двух радиоактивных семейств.

Наиболее важен в радиологическом и токсическом отношениях ²³⁸U. Группа А по токсичности. Накапливается при поступлении в организм преиму-щественно в костях (в отдаленные сроки до 90%). Выделяется с калом и мочой. При длительном поступлении в организм развивается хроническая лучевая болезнь. Поражаются почки, развиваются остеосаркомы, злокачественные опухоли печени, почек, легких.